近年來，我國多個地區空氣質量明顯下降，霧霾天數顯著增加，電力工業設施、設備的腐蝕問題日益嚴重，制備高效防腐新材料、研發防腐新技術是最大限度減少和對抗腐蝕的可行辦法，也是電力工業安全運行的前提保障。編者整理了電力工業最前沿的材料防腐科技供大家參考。

 

1石墨烯基重防腐涂層實現電力設施長效防腐

 

    2016 年 10 月 13 日，浙江寧波供電公司 220 千伏蟹浦變電站附近，工作人員正在給鐵塔涂刷防腐涂層。看似普通的一層薄薄涂料，卻包含了當今世界最前沿的“黑科技”——石墨烯。

    日前，寧波供電公司和中國科學院寧波材料技術與工程研究所（下稱“中科院材料所”）成立聯合實驗室，共同探索研究石墨烯的奧秘，其中一項重要成果就是石墨烯基電力桿塔導電重防腐新型涂料。它的防腐性能超出傳統涂料至少兩倍，使桿塔的防護壽命達到 10年以上，填補了國內電網防腐涂料的技術空白。而這僅僅只是石墨烯應用的冰山一角，它的神奇之處還遠不止于此。

    什么是石墨烯？

    2010 年的諾貝爾物理學獎將石墨烯帶入了人們的視野，獲獎者英國曼徹斯特大學的安德烈 ? 海姆和康斯坦丁 ? 諾沃肖洛夫兩位教授，從石墨薄片中成功剝離出了石墨烯。

    石墨烯非常薄，厚度只有一根頭發的 20 萬分之一，是目前已知最薄的一種材料。同時，石墨烯又非常硬，一片石墨烯就能承受相當于一頭成年大象的重量，其硬度超過鉆石，比世界上最好的鋼鐵還要再硬上 100 倍，足以問鼎最堅硬材料。石墨烯還擁有驚人的柔軟性，可在不出現破損的情況下伸展 20% 以上。此外，石墨烯的導電性遠高于銅，導熱性在地球上難有匹敵，幾乎完全透明，不親水也不親油，耐酸耐堿，化學穩定性良好。總之，隱藏在鉛筆芯中的石墨烯有著數百種神奇的能力。

    其實，擁有諸多特性的石墨烯化學結構十分簡單，簡單到令人不可思議。一片石墨烯就是一層碳原子，它們按照六邊形緊密排布、相互連結，形成蜂巢圖案。要得到石墨烯似乎也不太難，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而成，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，石墨烯就出現了。

    石墨烯能給我們帶來什么？

    如果使用石墨烯作為原材料或輔助材料，很多科幻片中的場景將成為現實。我們不妨想象一下，用石墨烯做的手機可以隨意折疊，用石墨烯做的飛機、汽車又輕又堅固，石墨烯甚至可以為醫學領域帶來重大突破。

    簡單卻又神奇，石墨烯的發現轟動了材料學界。石墨烯因高導熱性、優異的導電性、耐蝕性、高機械強度和良好的自潤滑性成為重要的結構和功能新材料的增強體。隨著石墨烯的生產逐漸規模化及其質量和層數可控性程度的提高，石墨烯復合材料的研究越來越受到國內外學者的關注。

 

    歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個“未來新興技術旗艦項目”之一，美國也將石墨烯視為同 3D 打印技術同等重要的支撐未來科技發展的戰略性產業。目前，英、德、美、日等國已在石墨烯低成本、規模化綠色制備及石墨烯增強復合材料和應用技術領域取得了一定的研究成果，初步揭示了石墨烯復合材料的結構、產品性能、應用功能的調控機制，初步實現了石墨烯增強復合材料在高頻電子、傳感器、柔性顯示等領域的應用。

    我國在石墨烯領域研發起步較晚，但發展速度驚人，目前已成為石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一。近年來，以中科院材料所、北京航空材料研究院為代表的研究結構已在石墨烯粉體低成本、規模化制備技術的研究上取得重要進展，石墨烯成本已從最初的每克幾千元降到大批量生產時的每克幾元甚至低于 1 元。盡管尚未經過產品均一、穩定性等嚴格的考驗，但為其在下游的規模化應用提供了極大可能。

    近年來，國家電網公司大力推動新材料、新技術、新工藝的應用。相較于傳統材料，新材料能進一步提升電網長期運行的可靠性和安全性，降低電網建造和維護成本，同時還兼具傳統材料所不具備的優異性能和特殊功能，滿足日益嚴苛的輸電需求。在石墨烯與電網材料的相關研究中，為了使防腐新材料成功“孵化”，寧波供電公司把握國內石墨烯研究領軍機構中科院材料所位于寧波的地緣優勢，主動尋求合作，說明研究意向。在多次爭取、溝通之下，本著優勢互補、資源共享、合作共贏的基本原則，寧波供電公司與中科院材料所積極建設寧波電網新材料聯合實驗室，為新材料、新技術發展貢獻力量。

    聯合實驗室是技術合作的聯合體，雙方共同研究開發電網設施、設備表面防護材料和高性能導電材料，加速科技成果的轉化，提升電網企業在新材料領域的技術水平和自主創新能力，促進表面工程技術和電網新材料在電力行業的示范應用，實現共贏目標。于是，雙方對石墨烯在電網材料上的研究、應用開始步入深水區。

 

    目前石墨烯應用方面取得了什么成果？

    “寧波沿海地區輸電線路附近化工廠數量多、空氣含硫廢氣含量高、濕潤海風影響大，導致沿海輸電桿塔腐蝕情況較內陸地區快 3 至 5 倍。”寧波供電公司信息通信分公司科技專職方云輝坦言，鐵塔防腐一直是寧波供電公司致力研究的一個問題。

    目前，人們在防腐蝕方面的最新發現就是石墨烯。常用的聚合物涂層很容易被刮傷，降低了保護性能。而石墨烯做保護膜，能顯著延緩金屬的腐蝕速度，更加堅固抗損傷。基于石墨烯的這種特性，寧波供電公司把聯合研究重點放在了如何實現石墨烯在銅基體中的均勻分散和兩相界面的良好結合上，致力于研制兩種體系高性能石墨烯基重防腐涂層——高導熱石墨烯基重防腐涂層和石墨烯基導電涂層，實現沿海地區變電站變壓器、隔離開關、輸電塔架、變電站接地網等輸變電設施設備的長效防腐。

    而將石墨烯材料與有機高分子防腐涂料結合起來，可獲得環保、低成本、高效、便于施工的重防腐材料與技術。在輸電設備中使用石墨烯基新型碳材料后，可平穩提升線路輸電能力、保障輸電安全，顯著延長輸電塔架、線路、輸變電設備的服役壽命，將傳統鍍鋅層輸電塔架在海洋大氣區和工業區的防護壽命提高 6 年以上，減少維修檢修次數和維修頻率，確保輸電安全。目前石墨烯基電力桿塔導電重防腐新型涂料已經研制成功，并在鎮海、北侖、鄞州等區域使用，效果良好。

 

    “我們會繼續拓展、深入這方面研究。下一步，將重點研究石墨烯電網自清潔防結冰涂層材料及關鍵技術。”方云輝拿出研究計劃表說。

    每年冬季，我國南部省份容易發生低溫雨雪冰凍災害，致使高壓輸電線路及絕緣子出現不同程度的結冰、覆冰現象，影響輸電安全。從石墨烯入手，開展電力傳輸領域超疏水涂層防結 / 覆冰技術研究，并將其技術“嫁接”于輸電線路、鋼塔架及玻璃絕緣子產品上，進一步開展其“自清潔防覆冰輸電線路”與“自清潔玻璃絕緣子技術”研發、工程應用示范及產業化推廣，并形成高技術創新產品，逐步推廣應用電力傳輸領域，對增強國家電力系統安全，保障人民正常生活生產有著重要意義。

    （資料來源：知網）

 

2鋼結構腐蝕防護新技術在輸電工程中的應用進展

 

    近年來，各行各業的蓬勃發展對科技不斷提出了新要求，在此之下，也催生出了對鋼結構研發的巨大的市場需求量，電力行業更為凸顯。不論是發電廠房還是輸電線的塔架，再或者是輸電基礎設施，鋼結構可謂“無孔不入”，是主要的建筑材料。其原因有二：第一，鋼材自身具備其他材料所不能比擬的優越；第二，輸電工程所處自然環境的特殊性正好與鋼材及其成品構件所具備的長處相迎合。長期暴露于自然環境中，風吹日曬之下，防火、防腐蝕是首要克服的難關。為了適應時代發展的要求，鋼結構的設計與應用技術雖然已取得了卓越的進步，但是再接再厲是大勢所趨，也是輸電工程永葆生命活力、立于不敗之地的力量源泉。

    鋼結構防護新技術在輸電工程中的重要作用

 

    輸電鋼件易遭受腐蝕的原因是其長期暴露在自然環境中。鋼結構防護技術于輸電工程而言，關系到其壽命的長短，更關系到一個國家經濟實力的強弱。鋼結構的防火、防腐蝕等問題隨著鋼材及其構件的大肆應用而鋪天蓋地地襲來，給人民的日常生活帶來了諸多不便，也束縛住了國家經濟建設的腳步。輸電工程的安全生產，后續一系列的維護工作都是圍繞著鋼結構的防腐蝕等防護能力展開的，鋼結構的防護能力強，則輸電工程興盛繁榮，鋼結構的防護能力弱，導致事故多發，影響各行各業的安全與生產，則不僅人民的生活深受其害，縱觀整個經濟發展全局，牽一發而動全身。

    有不少統計材料顯示，輸電工程中鋼結構的防腐維護成本所占整個鋼結構防腐技術的 50% 左右，比例頗高，導致電網運營的成本較高，而且安全性也有待考究，尤其在一些環境條件尤其惡劣的地方，防腐的成本投入更高，然而倒塌事故發生的頻率卻并沒有降低多少。近年來，國家電網公司致力于加強基建設計和技術管理積極應用新技術、新材料，不斷致力于鋼結構防護新技術的研發，著力延長項目工程的壽命。以合理的成本實現輸電鋼構件的防腐等維護工作是當前防腐技術研發工作人員的熱點研究題材，也是“堅強智能電網”建設進程有效推進的重要舉措。

    輸電工程的鋼結構防護技術的現狀

 

    建筑的腐蝕介質有五大分類，如氣態、腐蝕性水等。按照腐蝕性的強度，不同的介質的腐蝕作用又分為強、中、弱、無四個級別。就目前而言，鋼結構大量使用的防腐性措施主要針對腐蝕性介質物理狀態和其對建筑材料的不同的腐蝕性等級，采用不同的措施與方法。

    簡單概括為三類：第一，為了增強抗銹能力，革新金屬結構的要素組成，將銅、鉻、鎳等合金元素于冶煉過程中加入鋼材；第二，鍍金屬保護層于鋼材表面也是防腐工作中的一大特色，如電鍍、熱浸鍍鋅等金屬保護層防腐蝕體系的構建等；第三，鋼材表面用涂料等非金屬將鋼材表面保護起來，從而隔絕大氣層中的有害介質的腐蝕。鑒于電力行業經濟全局中的紐帶作用，電力設施在正式投入使用后，一旦遇到停運檢修的情況，其影響極其惡劣，有導致社會各部門配合失調、整個經濟體系陷入癱瘓的可能。而且輸電結構中的主要材料鋼結構因為長期受大氣溫度冷熱交替的影響以及其他不同種介質的水的侵蝕等因素的影響，對鋼結構的防腐要求也頗高。

    鋼結構防護新技術在輸電工程中運用最為廣泛的是鍍金屬保護層，該金屬層選用比鐵更加活躍的金屬元素，如鋅，當外界環境發生化學腐蝕變化時，電極電位低的陽極首當其沖，先遭受腐蝕，而保護層內的金屬元素則因受到由此形成的電化學保護而免受侵蝕。

    因此，充分研究和分析輸電工程所處的環境，包括地質因素和氣候因素，將氣溫的高低、冷熱變化的幅度以及大氣降水的酸堿度、風向等因素全部囊括在內，兼顧考慮鋼材或者是鋼構件自身的抗腐蝕能力的最重承載負荷，選取一種合適的金屬元素作為保護層，力求達到輸電工程在投放運用過程中免維護、無停運的要求是輸電工程鋼結構防腐技術的完美運用。

    影響鍍鋅保護層質量的主要因素

 

    在鍍金形成金屬防護措施中的金屬元素一般首選鋅，這是由鋅的氧化活性強這一特點所決定的，除此之外，鋅所形成金屬保護層的抗腐蝕質量還受其他因素的影響。

 

    1、自然環境

 

    自然環境始終是影響金屬保護層質量的主要因素，輸電工程一般都是直接與自然接觸的，氣候溫度、大氣濕度以及降雨量、酸堿度等因素每時每刻都對鍍鋅所形成的防護層產生重大的影響。倘若對這些影響因素置之不理或者處理不當，可能會加快鋼結構的腐蝕速度。

    2、鋼材自身性能

 

    鋼材自身性能是決定金屬保護層質量高低的基礎。電力結構所采用的大多是以碳素結構為基本組成要素的鋼材，內腐蝕性差是不容忽視的弊端。而且在冶煉過程中高溫所產生的熱殘余應力易導致電焊縫隙以及鋼件結構的縫隙處發生腐蝕的幾率增大。

    3、鋅的密度

 

    金屬鋅含量的高低及分布的致密性的稀疏決定了含鋅類金屬防護體系防護能力的強弱，而 60% 的鋅含量是其發揮防腐防護作用的基準數，否則很難發揮作用。

    4、工作應力變形的影響

 

    鋼結構腐蝕和鋼結構自身所受到的應力緊密相關。鋼結構在工作時所受到的可變荷載尤其是循環（沖擊）交變荷載是影響的主力軍，倘若其受力不均，應力會隨之發生相應的改變，主要表現為應力的集中和變形。而且腐蝕性與兩者之間的關系呈正相關，應力越大，變形越嚴重，腐蝕現象越嚴重。

    當前輸電工程中鋼結構鍍鋅防腐防護技術的對比

 

    1、鍍鋅工藝對比

 

    鋅作為鋼結構防腐技術的首選元素，其發揮保護作用的方式有很多種，比如金屬涂料體系、電鍍、冷噴等體系。

    據統計數據顯示，電鍍鋅以高達60% 的比例運用于鋼結構的表面處理，其防腐性能也得到了業內外人士的認可。但是高污染、高能耗等負面弊端伴隨著良好防護性能作用的發揮而來，代價頗重。此外，熱鍍鋅是在高溫的環境下完成的，灼熱的溫度會使鋼材熱化變形，增大了鋼材構件的熱殘余應力，為腐蝕的發生埋下了隱患。

    另外，電化鍍鋅在施工過程中，操作繁雜靈活性差，一旦出錯，可修復性難度大。因此，電化鍍鋅的技工專業度要求更高。從鋼結構構件的使用周期來看，重復性操作的成本費用花費較高，不夠經濟。

    冷噴鋅工藝的問世解決了熱鍍鋅的不足。冷噴鋅工藝可讓保護層的鋅含量高達 96%，接近 100% 的極密的超強防護性能保護層。其本身的活性氧化性能及其致密性讓保護層內的鐵得到雙重防護而不被氧化，從而提高了鋼結構的防護性能。冷噴鋅摒棄以往電化的高溫條件，恒常的溫度讓鋼結構不易熱化變形，氧化率和縫隙都將減少，也大大降低了熱殘余應力。此外，冷噴鋅工藝的節能環保性能大大增強，在施工過程中產生極少的廢液， 污染小， 環保效果非常可觀。

    2、鍍鋅成本比較

 

    將冷噴鋅與電化鍍鋅的工藝過程相比較可知，冷噴的工藝不需要高溫加熱這一環節，從而節省了傳統鍍鋅所消耗的能源損耗，也省去了此環節其他的一系列費用，經濟實惠又環保。綜上所述，拋開鋼材自身的厚度因素，冷噴技藝的造價極有可能低于熱鍍鋅的成本。

 

    3、防腐能力比較

 

    金屬鋅含量的高低及分布的致密性的稀疏決定了含鋅類金屬防護體系防護能力的強弱，而 60% 的鋅含量是其發揮防腐防護作用的基準數，否則很難發揮作用。不論是電鍍，還是冷噴，鋅元素都是兩大過程中的重要角色。

    在電鍍過程中，因為電解液造成的腐蝕電流密度低等因素，導致電鍍層緊密度稀疏、鋅粉顆粒大，遇到氧化反應的陰極防護能力就會大大減弱。冷噴和電鍍技藝所運用的原理一樣，都是基于陰極保護電化學原理而成，兩者較為突出的差別在于所形成的防護膜的鋅的含量不同。冷噴技術可使鋅的含量高達96%，致密度是電鍍技術所無法超越的水平，陰極防護極強的能力由此形成。與此同時，冷噴鍍層自身的緊固性極強，密不透氣，形成極好的屏障。優異的雙重防護功能大大延長了被保護的鋼結構的壽命。

    除此之外，電鍍和冷噴的適用范圍也存在差異。因為熱鍍鋅鋼耐腐蝕性能受氣候、大氣濕度等因素影響的可能性更大，在實際的作業中，冷噴技藝所受的限制更小，適用的范圍更大。

    結語

 

    鋼結構的防腐防護工作是輸電項目工程的重中之重，必須高度重視，不斷創新技術，以較低的成本實現經濟、安全、高效的目的，創造出巨大的利潤。

    （資料來源：知網）

 

3風電葉片涂料用樹脂研究進展

 

    化石能源的過度使用導致了目前世界范圍內日益嚴峻的氣候變化和能源危機，這已經引起各國政府越來越多的重視，新能源的開發已迫在眉睫。

    風能是自然界取之不盡、用之不竭的資源，是一種潛力巨大的清潔能源。最近五年，全球風電市場保持快速增長，累計裝機量年復合增長率達到 16.9%。2014 年，全球新增裝機量首次突破50GW，其中陸上新增裝機量達到 48.8GW，海上新增裝機量為 2.3GW。據全球風能理事會預測，未來五年全球累計裝機量將以 12.9% 的年復合增長率增長。

    隨著我國經濟的快速發展，日益嚴峻的環境問題及能源浪費成為政府面臨的一大難題。我國幅員遼闊，海岸線狹長，特殊的地理位置蘊含著極其豐富的風能資源。2005 年的十一五規劃中明確提出支持風電等新能源的發展，此后我國風電產業迎來了快速發展。2010 年政府下達文件，要求提高風電技術裝備水平，確定了風電產業的戰略性地位。

    2014 年 我 國 新 增 裝 機 量 達 到23GW，同比增長 44.2%。經過近 10 年的發展，目前我國已成為全球最大的風電市場。

 

    風電葉片的防護

 

    目前市場上的風機葉片材料主要是纖維增強的環氧樹脂和不飽和聚酯。風力發電機組運行時會遭受諸多惡劣環境，如溫差大、光照強、風砂磨損、酸雨腐蝕以及冰雪侵襲，而葉片在高速運轉時，葉尖速度一般會超過 100m/s，未經防護的葉片長期暴露在自然環境中，會很快磨損、老化并產生粉化現象，直至發生斷裂。另外，大型葉片的吊裝耗時且昂貴，一般需要其運行 10 年以上才進行一次維護。目前最簡單有效的防護方法是采用涂料進行保護。不同環境對風電葉片防護涂料的要求也不一樣，主要有兩種：

    1、內陸用防護涂料。目前 90% 以上的風電機組都是在陸上工作，所處的工作環境往往光照強，風沙及溫差大，比如我國西部地區。這就要求葉片防護涂料必須具有優異的耐候性、耐沖擊性、耐磨性及高低溫柔韌性。此外，這些地方冬季往往比較寒冷，雨雪天氣較多，葉片覆冰嚴重影響了發電效率，并且會大大縮短葉片的使用壽命，因此防覆冰性能也是一個很重要的指標。

    2、海上用防護涂料。海洋擁有巨大的風力資源，歐洲國家在海上風電方面走在世界前列。2011 年，包括英國、丹麥、荷蘭、比利時等在內 9 個國家的 49 個風電場總共 1247 架海上風電機組發電 3.294GW。2014 年，海上累計裝機容量已達到 8.771GW。預計到 2020 年，海上風電裝機總量將達到40 ～ 55GW，占歐洲用電需求的 10%，到 2030 年將增大至 17%。未來的海上風電將會成為發展最為迅速的新能源技術。我國海上風電正在處于快速發展中，如在建的上海東海大橋和臨港海上風電場將會引領我國海上風電的發展。因為受到海洋環境的影響，海上風電防護涂料除需具有優異的耐候性及高低溫柔韌性外，還需要極佳的防腐性能。此外，優異的防覆冰性也是必不可少的。

 

    無論是內陸用防護涂料，還是海上用防護涂料，與基材優異的附著力、耐化學介質及耐雨蝕性能必不可少。葉片前緣部位是葉片最薄的地方，通常為曲面，最容易受到風沙磨損及雨蝕損壞，大型葉片的前緣防護是一項非常重要的工作，直接決定了葉片的使用壽命及工作效率。傳統上采用在葉片前緣貼膜的方法對其進行防護，但是在葉片運行中會產生空氣湍流及許多噪音，且很容易遭受紫外線損傷，此外貼膜的二次維護也十分困難。國外對此部位的防護非常重視，目前均采用涂料進行保護，因此風電葉片的防護涂料需要具備諸多優異的性能，才能延長葉片的使用壽命并提高工作效率。樹脂是影響葉片涂料的最主要因素，對于樹脂的研究，國內外已經進行了許多工作，目前可應用于風電葉片的樹脂主要有聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、氟碳樹脂、有機硅樹脂及環氧樹脂。

    風電葉片涂料用樹脂的研究

 

    1、聚氨酯樹脂

 

    聚氨酯樹脂具有優異的耐磨性及高低溫柔韌性，其中脂肪族的聚氨酯耐候性能優異，是目前風電葉片涂料中使用最多的樹脂。目前較為成熟的葉片防護涂料一般為聚氨酯體系，主要由彈性聚氨酯修補膩子、聚氨酯底漆及聚氨酯面漆組成。

    國外早已開展對風電葉片用涂料的研究，近幾年對葉片前緣用涂料的研究較多。葉片前緣修補面漆對耐風沙磨損及耐雨蝕性能的要求很高，由于國內外氣候環境不同，國外在葉片涂料耐雨蝕方面開展了很多工作，目前常采用聚氨酯面漆。Kuehneweg 等制備了一種可應用于風電葉片的雙組分聚氨酯基防護涂料，研究發現，羥基組分對于漆膜的力學性能具有較大的影響，高分子量和低分子量聚醚多元醇混合得到的漆膜具有更好的拉伸強度和斷裂伸長率，經過 3h 耐雨蝕實驗，漆膜無變化，9h 后只有很輕微的腐蝕損壞，可以對葉片前緣進行有效保護。Connel 等制備了一種多層涂料體系用于風電葉片防護，由環氧底漆和聚氨酯面漆組成，面漆隨著其中 NCO : OH 比例的增大，耐雨蝕性能增大，并且經過對比不同樹脂面漆對葉片前緣耐雨蝕性能的影響后發現，聚氨酯樹脂面漆的耐雨蝕性能要優于氟改性丙烯酸樹脂及聚脲樹脂面漆，可達 3.5h。Kallesoee 等認為，風電葉片前緣防護涂料的彈性與耐磨性同等重要。他們制備了一系列雙組分聚氨酯面漆，由不同官能度及相對分子質量的多元醇及異氰酸酯組成，發現多元醇組分中至少要含有50% 的聚酯多元醇，相對分子質量在200 ～ 3000g/mol 之間，異氰酸酯組分官能度在 2 ～ 3 之間，相對分子質量在250 ～ 2000 之間，得到的聚氨酯面漆經4h 雨蝕實驗后無變化，可以有效地對風電葉片前緣進行保護。

    受耐雨蝕檢測條件的限制，國內目前對聚氨酯涂料在風電葉片上的應用研究主要集中在彈性及耐磨性上。內陸地區的風沙對葉片造成磨損是主要的損壞方式，采用聚氨酯，可通過選擇不同種類的多元醇得到具有優異彈性及耐磨性能的涂料。中昊北方涂料工業研究設計院有限公司采用彈性羥基樹脂制備了一種耐腐蝕、耐沖擊的聚氨酯涂料。該彈性羥基樹脂由己內酯多元醇、聚碳酸酯和異氟爾酮異氰酸酯制得，得到的面漆落砂實驗結果為 32L/靘，耐水 4d 后落砂實驗結果為 29L/ 靘，可應用于海上風電場等對耐沖擊防腐要求較高的高濕環境。

 

    江蘇海晟涂料有限公司公開了一種風電機組葉片用涂料，由一種高羥值的聚酯多元醇和聚醚多元醇制得，抗石擊性能可達到 7A，附著力可到 9MPa，可應用于風電機組。張瑞珠等在水輪機葉片上噴涂彈性聚氨酯防護涂層，該涂層具有優異的綜合力學性能，與水輪機葉片間的物理結合力達到 12.6MPa，磨耗值保持在 2 ～ 3mg/min，可以很好地解決水利水電工程及灌溉排水工程中的葉輪磨蝕問題。

    目前風電葉片涂料市場基本上都是聚氨酯體系。比如，PPG 公司的HSP7401 型聚氨酯底漆、AUE5000 型聚氨酯面漆體系及 Selemix DTM 系列底面合一聚氨酯涂料，已應用于市場；3M 公司的W4600型聚氨酯面漆耐雨蝕測試可達 10h，耐砂蝕測試＞ 30g/cm 3 ，耐磨性 ＜ 30mg（CS-10，1000g/1000r），也已投入市場，主要用于葉片前緣的耐砂蝕及耐雨蝕防護；麥加公司的 WU200聚氨酯膠衣可通過 9h 的耐雨蝕實驗，且經人工加速老化 4000h 后耐雨蝕時間基本不變，可以很好地保護葉片前緣。

    在日益重視環保的今天，高固體份及水性聚氨酯用于風電葉片涂層的研究也較多。聚天門冬氨酸酯是一種高固低粘的氨基樹脂，厚涂性較好，與脂肪族異氰酸酯反應制成的涂層具有優異的耐磨性及耐候性，可以考慮用于風電葉片涂層，但是其價格昂貴，柔韌性不好，一般需要使用彈性固化劑才能得到彈性涂層，不過在耐磨及耐候性要求較高的地方可以發揮重要的作用。水性聚氨酯涂料在風電葉片上的應用也有過報道，但是其在工藝及價格方面與溶劑型聚氨酯相比還處于較大的劣勢，不過隨著水性聚氨酯技術的發展，有望在風電葉片涂料上發揮重要的作用。

    2、丙烯酸樹脂

 

    羥基丙烯酸樹脂具有優異的耐候性及保光保色性，采用脂肪族異氰酸酯作為固化劑制成的雙組分丙烯酸聚氨酯涂料在汽車、航空行業應用廣泛，是一種非常優秀的戶外用涂料。最近 20 年，國內也對丙烯酸聚氨酯涂料做了很多工作，已開始將其用于風電葉片防護涂料。

 

    羥基丙烯酸樹脂制成的涂料往往具有優異的耐候性及硬度，但在柔韌性、抗沖擊性及耐磨性方面不甚理想，目前一般采用聚酯樹脂對其進行改性。周樹軍等使用 E-10（叔碳酸縮水甘油酯）合成的聚酯預聚體改性丙烯酸樹脂與純丙烯酸樹脂，并分別制備成面漆，性能對比結果表明，聚酯改性丙烯酸樹脂制成的面漆柔韌性及抗沖擊性能明顯增大，并可以很好地平衡漆膜的軟硬度。李儒劍等采用丙烯酸樹脂和聚酯并用的方法制備了一種可應用于風電葉片的涂料，并與某進口品牌樣品進行了比較。研究發現，隨著丙烯酸樹脂用量的增加，涂膜的耐候性能變好；而增加聚酯多元醇用量時，產品的耐沖擊性能、附著力及耐磨性變優。所研制產品的耐磨性和附著力要優于某進口產品，且耐候性能與某進口產品相當。

    聚酯改性的丙烯酸聚氨酯體系可以明顯改善漆膜的柔韌性、耐沖擊性能及耐磨性，但是會降低漆膜的耐候性和低溫延伸率。孫禹等對丙烯酸聚氨酯、聚酯改性丙烯酸聚氨酯、聚酯多元醇聚氨酯及聚碳酸酯聚氨酯制備的面漆的耐石擊性能進行了比較，發現聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆的耐磨性最好，丙烯酸聚氨酯面漆的耐磨性最差，但是它們的耐石擊性能都很差，而聚碳酸酯聚氨酯面漆和聚酯多元醇聚氨酯面漆的耐磨性雖然比聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆差一點，但是這兩種面漆的耐石擊性能最好。

    聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆的制備簡單，施工方便，漆膜的綜合性能優異，在目前國內風電葉片領域里廣泛使用，但是與聚酯多元醇體系的聚氨酯相比，它雖然具有更好的耐磨性，但耐石擊性能很差，不適合用于葉片的前緣防護，因此使用聚酯改性丙烯酸聚氨酯體系作為葉片面漆，搭配聚酯多元醇體系的聚氨酯作為葉片前緣修補面漆，可以為風電葉片帶來更好的防護效果。

    目前國內使用的丙烯酸聚氨酯涂料主要為溶劑型，未來勢必會被水性涂料所替代。雙組分水性丙烯酸聚氨酯涂料不僅也具有較好的附著力、低溫柔韌性、耐候性和耐磨性，而且具有極低的VOC，隨著水性聚氨酯涂料的發展，這會是風電葉片防護涂料未來的一個重要發展方向。

    3、氟樹脂

 

    目前使用的氟樹脂主要是由氟烯烴單元和烷基乙烯基醚（或烷基乙烯基酯）交替排列而成的共聚物，與異氰酸酯或氨基樹脂可常溫固化。氟樹脂最優異的性能是超耐候性。李運德等曾將氟樹脂和丙烯酸聚氨酯樹脂制成的面漆在我國不同地區、不同氣候條件下進行全天候戶外暴曬試驗，結果發現：2 年后，所有丙烯酸聚氨酯樣板均出現 2 級以上粉化，失光率達到了 40%，氟樹脂樣板均無粉化，僅出現輕微失光；4 年后，所有丙烯酸聚氨酯樣板明顯粉化，出現嚴重失光，氟樹脂樣板均無粉化，僅出現輕微失光。曾凡輝等對比了四氟型、三氟型氟樹脂和丙烯酸樹脂的耐候性，發現經過 30 個月戶外暴曬后，四氟型氟樹脂保光率可達到 90%，僅有輕微的失光，而三氟型氟樹脂保光率下降到 82%左右，丙烯酸樹脂保光率在 60% 以下。

    除了優異的耐候性能之外，氟樹脂還由于氟原子電負性較大，往往具有較低的表面能，因此使用氟樹脂可以得到具有優異防覆冰性能的涂料。

    冬季時葉片很容易遇到冰雪天氣，尤其是在北歐、北美及我國的西北地區，如果葉片上的冰沒有及時清除，會帶來一系列嚴重的問題。目前主要有兩種清冰技術——利用熱、電、機械及超聲波的主動清冰技術和使用防覆冰涂料的被動清冰技術。主動清冰技術應用廣泛，效果很好，但是耗能耗時，而使用防覆冰涂料既簡單方便，又環保，因此從長遠來講，防覆冰涂料將會取代傳統的主動清冰技術，能更有效地保護風電葉片的正常運行。

    Peng 等在風電葉片上制備了一種超疏水 PVDF 涂料，水接觸角和滑動角可分別達到 156°和 2°，與無 PVDF 涂料防護的葉片表面相比，具有非常優異的防冰性能。

    氟樹脂具有優異的耐候性和防覆冰性能，非常適合應用于風電葉片涂料，但是純氟樹脂涂料的附著力及柔韌性較差，成本很高，因此可以考慮將其與聚氨酯或丙烯酸樹脂搭配使用來得到具有優異綜合性能的涂料。Alois 使用 IPDI和一種帶全氟鏈段的多元醇制備了氟改性聚氨酯涂層，該涂層可常溫固化，具有優異的耐候性，同時還具有防油、防水及防塵性能。狄志剛等以脂肪族共聚酯和氟樹脂為原料，與 IPDI 反應得到了一種彈性聚氨酯固化劑，用它制成的涂層具有優異的耐候性及柔韌性，可用于風電葉片防護。株洲時代新材料科技股份有限公司采用羥基氟碳樹脂和熱塑性丙烯酸樹脂制備了一種風電葉片用面漆，人工加速老化 6000h 后失光率僅為 20%。

    在水性氟樹脂涂料方面，河北晨陽工貿集團有限公司采用羥基丙烯酸乳液、水性氟碳乳液與水分散型異氰酸酯反應制得一種風電葉片用水性氟碳面漆，耐候可達 3000h，附著力超過 10MPa，耐鹽霧試驗超過2000h， 耐磨性 （1000g/1000r）＜ 60mg。上海應用技術學院制備了一種水性含氟聚氨酯涂料，首先由 TMP、IPDI 及五氟丙醇合成得到一種含氟二異氰酸酯，再與聚醚二元醇、聚碳酸酯二醇合成得到水性羥基含氟聚氨酯樹脂。該水性含氟聚氨酯涂料涂膜后硬度可達到 3H，與水的接觸角為 106°。

    氟樹脂優異的耐候性及低表面能對于風電葉片涂料來說是一個非常大的優勢，通過聚氨酯樹脂的改性可以有效地解決其不足之處，同時可以賦予涂層更優異的耐候性能及防覆冰性能。這是目前一個熱門的研究方向。

    4、有機硅樹脂

 

    有機硅樹脂最突出的是耐高溫性，在耐高溫涂料方面應用較多。同氟樹脂類似，它還具有較低的表面能和耐候性，因而在防污涂料、自修復涂料及耐候涂料方面也有研究。但是，純有機硅制備的涂層往往附著力及力學性能較差，成本很高，一般同氟樹脂一起，需要與聚氨酯樹脂或丙烯酸樹脂搭配使用，可以得到具有綜合性能優異的涂層。如西北永新化工有限公司采用聚酯、聚四氫呋喃二醇、端羥基（氨基）硅氧烷、含氟硅氧烷及脂肪族二異氰酸酯制備了一種有機氟硅聚氨酯樹脂，應用于風電葉片防護涂層。經固化得到的涂層耐磨性（1000g/1000r） 達 到 0.2mg， 拉 伸強度 37MPa，斷裂伸長率 770%，可通過 5000h 人工加速耐老化實驗。張樂顯等采用氟碳樹脂、有機硅改性丙烯酸樹脂、線性聚酯樹脂制備了一種風電葉片涂料，涂層耐磨性（1000g/1000r）達到 16.5mg，拉伸強度 22MPa，可通過4000h 人工加速耐老化實驗和 3000h 耐鹽霧實驗。2009 年國際風能大會上，道康寧公司展示了一種風電葉片用硅樹脂涂層，可直接涂敷在葉片表面，防護效果優異。但是，有機硅樹脂因為價格昂貴、涂層制備復雜，在風電葉片上的研究報道不多，隨著以后對硅樹脂研究的增多，硅樹脂在特種涂料方面會有更大的發展空間。

    5、環氧樹脂

 

    環氧樹脂涂料具有優異的防腐性能及粘接性能，但是柔韌性及耐候性能較差，這限制了其在風電葉片涂料，尤其是面漆上的應用。海上風電葉片需要涂層具有優異的耐鹽霧性能及耐潮濕性，如江蘇普蘭納涂料有限公司制備了一種耐潮濕的兆瓦級風電葉片用環氧底漆，得到的漆膜與玻璃鋼附著力超過 8MPa，耐水 10d 后吸水率小于 1%，耐水 15d后無變化，且具有優異的耐鹽霧性能。

    環氧樹脂底漆與脂肪族聚氨酯面漆制備的配套涂層可以為海上風電葉片提供防護，但內陸用風電葉片涂層需要具有優異的耐風沙性能，這就要求底漆也要有優異的柔韌性及耐沖擊性能。聚氨酯改性環氧樹脂底漆不僅具有較好的防腐性能及附著力，還大大提高了涂層的柔韌性及低溫固化性能，并且與聚氨酯面漆具有更優秀的配套相容性。李儒劍制備了一種風力發電葉片用底漆，主要由固體雙酚 A 環氧樹脂、液體雙酚 A環氧樹脂及縮二脲型 HDI 聚異氰酸酯組成，固化后的涂層具有優異的力學性能、柔韌性及抗沖擊性能，對玻璃鋼的附著力遠大于丙烯酸聚氨酯涂料，同時還具有環氧樹脂優異的防腐性能，適用于風電葉片防護底漆。

    此外，使用納米無機材料改性環氧樹脂制成的涂層，在耐磨性、耐候性及防腐性能方面均有一定程度的改善。Karmouch 等使用納米級二氧化硅顆粒改性環氧樹脂得到一種超疏水涂層，涂層表面接觸角可達到 152°，且具備優異的耐候性，可應用在風電葉片基材上，但是其制備復雜，成本較高，僅處于實驗階段。

    結論與展望

 

    對風電葉片涂料來說，樹脂的選擇至關重要，聚氨酯樹脂（包括丙烯酸聚氨酯）在高低溫柔韌性、耐磨性、防風沙雨蝕方面表面優異，但是在耐候性及防覆冰性能方面不如有機氟硅樹脂，而環氧樹脂則可以提供優異的防腐性能及層間附著力。因此可以說，單獨使用一種樹脂所能達到的性能總是有限的，針對不同樹脂的優缺點，合理搭配使用而制成的配套涂層體系往往可以達到更優異的防護效果，這仍是近期的主要研究思路。此外，顏填料助劑的合理篩選也是不可或缺的，彈性膩子、底漆及面漆組成的多涂層體系的配套性也有很大影響，這仍需要大量工作。

    目前，我國風電用涂料大部分仍需要進口，特別是葉片涂料，基本全依賴于國外品牌。德國 Mankiewicz、BASF、Bergolin 及美國 PPG 在葉片涂料上占有較大的市場。此外，麥加、陶氏化學、阿克蘇諾貝爾、3M 也已投資風電葉片涂料。雖然起步較晚，國內西北永新、中遠關西、時代新材、常州普蘭納等公司也一直專注于風電葉片涂料，這些企業的創新發展使得我國本土企業在風電領域取得了一定的成就。

    更強的耐候性、更優異的耐風沙雨蝕性、更好的耐濕熱鹽霧性、更方便的施工、更長的使用壽命及更環保將是未來風電葉片涂料的發展方向。隨著對清潔能源的日益重視，風電產業將會持續穩定地發展，相關配套設施，包括風電葉片涂料體系不斷完善，將會帶來巨大的經濟及社會效益。

    （資料來源：知網）

 

4高壓變電站接地網的遠程腐蝕監測技術

 

    發變電站接地網是埋入大地中并與大地緊密接觸的金屬網，為故障電流或雷電流快速泄放提供入地通道、保護人身安全和電氣設備安全。當前，出于環境保護和成本考慮，我國普遍采用低碳鋼而不是銅網作為接地網材料，接地體在土壤中腐蝕會導致截面積變小、接地電阻增加，造成接地網壽命減短，嚴重時甚至危及電網的穩定運行。因此，研究接地網在線腐蝕監測方法，實現不斷電、不開挖情況下的腐蝕監測，以便及時發現故障，防患于未然，對于保障電力系統的可靠運行具有重要意義。

    當前大多數變電站接地網的腐蝕評估通常依靠測量接地網接地電阻值來間接判斷，然而，由于電磁干擾和測量精度的限制，直接測量地網接地電阻很難準確評估地網腐蝕狀態。也有研究者通過分析接地網埋深位置的土壤，如測量土壤含水率、pH 值、含鹽量等腐蝕性參數來間接評價地網腐蝕狀態，但該方法存在土壤取樣工作量大、分析周期長、且不能直接反映地網自身腐蝕速率等不足之處。對接地網進行開挖檢查最為直接，然而大面積開挖勢必存在盲目性，且還要切斷電網停電，存在一定的安全隱患。因此研究一種安全可靠、可操作性強、快速準確的發變電站接地網腐蝕診斷方法十分迫切。

 

    接地網在土壤中的腐蝕屬于電化學腐蝕，可以采用多種電化學方法進行腐蝕監測，包括線性極化法、恒電流階躍法和電化學阻抗法等。當前大多數電化學監測方法均需要預埋金屬試片于土壤中，只能測量土壤的腐蝕性，并不能直接測量地網自身的腐蝕速率。如果將被測地網作為工作電極，則必須將極化電流限制在一定區域內，否則，被極化接地網面積的不確定性，將會導致腐蝕速率測量產生極大的誤差。為了解決電流約束問題，Feliu 等提出采用純阻容串并聯電路來模擬電流分布，但該計算過程復雜且誤差極大。Law 等提出了護環法（GRM）來約束 CE 電極的極化電流，但是 GRM 技術是基于完全約束實現的，導致實際體系中經常出現過約束或欠約束現象。針對上述問題，有專家在以前的研究工作基礎上提出了 GE 電流約束電路的改進方案，并且研制了集成小孔限流與 GE 電流約束的接地網腐蝕監測傳感器。該傳感器通過小孔限流將極化電流約束在接地網鋼板上的限定位置，同時通過護環電流約束電路，使彌散電流得到補償。現場實測表明：具有電流約束的小孔限流電極測量結果與參考電極具有較好的一致性。

    腐蝕監測傳感器設計

 

    1、電化學阻抗腐蝕監測

 

    電化學阻抗測量是用一個小幅值正弦波電位信號疊加在一個直流極化電位上，通過恒電位電路施加于被測體系，同步測量極化電位以及響應電流，再利用相關積分算法計算出被測電極體系的復數阻抗 Z，進而繪制出被測體系的 Nyquist 圖和 Bode 圖。選取適當的等效電路，通過計算機模擬可以獲取被測電極體系的界面電容、電荷傳遞電阻和Randle 阻抗等諸多參數。

    改變激勵正弦波和參考信號的頻率，分別測量高、低兩個頻點和的阻抗值 ZH 和 ZL，然后根據碳鋼在土壤中的腐蝕電化學等效電路，取高頻端（100 ～ 1000Hz）的阻抗值為土壤電阻 Rs，而將低頻端（0.005 ～ 0.01Hz）的阻抗值記為 Rs 與接地網鋼板極化電阻（Rp）之和，顯然 Rp=|ZL|-|ZH|。最后根據 Stern 公式 CR=B/Rp 計算腐蝕速率，其中，CR 為腐蝕電流密度，單位：mA/cm 2 ，Rp 代表極化電阻，單位：俜cm 2 ，B 為 Stern 系數，一般取值 26mV。

    2、電流約束傳感器

 

    對于接地網腐蝕監測，由于接地網面積巨大，因此極化電流的約束是關鍵，為此我們設計了一款集成小孔限流與護環電極電流約束的接地網腐蝕監測傳感器，該傳感器采用自適應的電流補償技術，將來自輔助電極圓環的極化電流限制在接地網鋼板上的投影面積內，如圖 1 所示。圖 1a 顯示了單純小孔限流測量腐蝕速率的原理，由于小孔傳感器底部的開口緊緊貼合在接地網鋼板上，來自于輔助電極的極化電流無法泄露到孔外，因此所有極化電流均被限制在小孔的投影面積內。然而小孔限流方法有其天然的缺陷，圖 1b 顯示了由于小孔傳感器與接地鋼板之間存在一定的間隙（由于安裝不良或土壤沉降造成），將導致一部分電流從縫隙處泄漏到小孔投影區外，這樣就會使實際受到極化的接地網面積大于小孔投影面積，導致測量的腐蝕速率偏大。實際上單純依靠小孔限流還存在另一個問題，由于小孔內是一個密封環境，如果小孔緊緊貼合在接地鋼板表面，則孔內土壤與外部土壤失去電解質交換，形成了一個孤立的“死區”，這樣測得的接地網腐蝕速率只能反映這部分“死區”土壤的腐蝕性，而無法反映外部土壤四季變化過程中對接地網的腐蝕情況。 為了避免內部形成 “死區”，必須在傳感器圓柱側壁開孔，如圖 1c 側面的交換孔，這樣就可以保證孔內外的電解質（水分）交換。顯然傳感器側面開交換孔后，來自腔內輔助電極 CE 的電流也會從交換孔中泄露，導致腐蝕速率的測量出現大的偏差。為此，我們設計了基于護環電極（GE）的電流約束環，如圖 1c 中的 GE 電極環，該 GE緊緊套在傳感器外側，用于約束傳感器內側 CE 環所發出的極化電流。基于 GE的電流約束技術早期主要用于大型混凝土結構中鋼筋銹蝕速率的測量，對于接地網的腐蝕測量，由于地網鋼板面積巨大，來自 CE 的極化電流在地網表面分布是非常不均勻的。為了防止來自 CE的極化電流彌散，用來自 GE 的電流約束住 CE 電流，圖 1c 中，由于 GE 與 CE具有相同的電勢，使 CE 電流不能從圖1c 中傳感器側面的交換孔或者底部的間隙流出，從而使 CE 電流完全約束在小孔投影面內。圖 1c 顯示了小孔限流與護環電極限流共同控制下的電力線約束情況，此時即使傳感器開口有一定程度的密封不良，也可以通過傳感器外壁的GE 電極來將孔內 CE 電流約束在孔內。

圖1 電流約束型地網腐蝕監測傳感器：（a）緊密接觸時小孔限流電流分布；（b）間隙較大時小孔限流電流
發散，（c）間隙較大但外加GE護環時的流線

圖２ 電流約束電路原理圖（ U 1 為阻抗變換器 ， U 2 為加法器和功率放大器 ， U 3 為單位增益電壓跟隨器， R 1 端輸入
直流電壓， R 2 輸入正弦波信號， R c 為電流取樣電阻， R s 及 R s ＇ 分別為傳感器小孔內、外的土壤電阻， R p 、 R p ＇
分別為小孔內外接地網的極化電阻，WE為與引上線相連的接地網）

 

    3、電流約束電路

 

    為了將極化電流約束在小孔投影面內，在地網腐蝕速率監測裝置中設計有兩套恒電位極化電路（如圖 2），主回路由 U1 和 U2 兩個運算放大器組成，U2輸出電壓加載到輔助電極 CE 上，使接地網鋼板處于極化狀態，同時通過差分放大器監測流過取樣電阻 Rc 的極化電流；第二套恒電位極化電路由 U2 和 U3組成，來自 U2 輸出端的電壓信號加載到 U3 反相端，從而使 GE 輸出的電壓信號與 CE 具有完全相同的相位和幅值，即 CE 與 GE 形成了一個等電勢輸出，U3輸出的電流則通過 GE 流向小孔投影面外側的接地鋼板，壓制了 CE 電極的泄漏電流。

    結語

 

    （1）接地網腐蝕速率測量精度取決于傳感器極化電流的約束能力，集成小孔限流與護環電極電流約束的腐蝕監測傳感器，可以有效地將極化電流約束在接地網于傳感器小孔投影區域內，防止電流彌散，提高了腐蝕速率測量精度。

    （2）基于交流阻抗技術和相關積分算法的接地腐蝕監測裝置，實現了極化電阻和土壤電阻率的同時測量，具有較高的抗電磁干擾和交流干擾能力，其測量結果較傳統方法離散性小。

    （3）接地網無線腐蝕監測系統，實現了接地網腐蝕監測的遠程自動化。經過多次實例證明，腐蝕監測結果可信度高。

    （資料來源：知網）

 

5核電發展與核電材料的腐蝕防護

 

    能源是現代文明社會發展的基礎和動力。能源消費水平，特別是電力消費水平，已經成為一個國家或者地區發展程度的重要標志。20 世紀中葉以來，核能發電已經成為發達國家電力供應的主要形式之一，核電發電量占比曾經達到全球總發電量的 17% 以上。目前，核電仍然是國際經濟合作與發展組織（OECD）國家最大的低碳電力來源，超過 OECD 國家電力生產份額的 21%，占美國低碳電力的比例高達 63%。

    安全是核電發展的生命線。核電的安全、高效發展離不開核電設備的高度可靠性。核電設備一旦失效，不僅影響核電站的正常運行，而且可能導致重大核事故的發生。有關核電設備失效行為的研究，一直是核電站研究設計中的一個重要領域，也是核電站運行維護的重大課題。由于核電站的特殊環境（高溫、高壓、強輻射，易引起設備材料發生腐蝕），材料腐蝕是引發核電設備失效的重要原因之一。在我國核電發展進入規模化批量化的新形勢下，加強對核電材料的腐蝕與防護研究，具有特別重大的意義。

 

    全球核電發展概況

 

    迄今為止，全球能源供應和消費仍以化石能源為主，煤炭、石油、天然氣占全球能源消費總量的 85% 以上。不斷增長的能源消費需求，不僅為能源的可持續發展帶來嚴重挑戰，而且深刻影響了全球自然環境。全球平均氣溫的持續攀升及其引發的一系列后果，在很大程度上與現代社會化石能源的過渡消費密切相關，這個問題已經引起了國際社會的高度關注。 2015年12月12日， 《聯合國氣候變化框架公約》第 21 次締約方會議在法國巴黎閉幕，全球近 200 個締約方國家通過了具有歷史意義的《巴黎協議》，為人類邁向“低碳排放的綠色未來”指明了行動方向和具體道路。

    按照《巴黎協議》確定的目標，要“確保將全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在 2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內付出努力”。為此，各國將盡快實現溫室氣體排放不再增加；到 2050年以后的某個時間點，全球人為碳排放量將降至森林和海洋能夠吸收的水平。

    全球經濟發展不平衡。在少數發達國家發展速率放緩的同時，一大批發展中國家正在尋求加速發展的種種途徑。隨著社會經濟的不斷發展，對能源、特別是電力的需要將持續增長。發電需要消耗能源，而環境保護必須減少碳的排放，在兩難的雙重壓力下，核電和其他可再生能源將成為未來能源可持續發展的主要選擇。鑒于太陽能、風能間歇性供應的特點，核能發電是當前唯一能夠大規模提供無碳電力的技術。

    根據世界核協會（WNA）提供的數據，截至 2016 年 1 月 1 日，全球共有439 臺在運的核電機組，總裝機容量超過 382 百萬千瓦。與 2015 年 1 月 1 日的數據（437 臺機組、377 百萬千瓦）相比，機組數量及裝機容量均有小幅回升。

    美國擁有最多的核電機組，有 99臺在運核電機組分布于美國 30 個州，核能發電量占美國總發電量的 19%。法國有 58 臺在役核電機組，核能發電比例達到 70% 以上，是歐洲電力供應成本最低的國家，是世界上最大的電力輸出國。日本目前在役核電機組有 43 臺，受 2011 年 3 月福島核事故的影響，曾經一度提出“棄核”的主張。近年來的實踐表明，“棄核”將嚴重打擊日本的經濟發展。日本政府明確表示，將在嚴格進行安全評估的基礎上，重啟日本的核電站，目前已經有 2 臺機組恢復運行。

    國際原子能機構（IAEA）等多家機構公布的全球未來能源供需情況的預測結果表明，在全球能源需求不斷上升及氣候變暖越來越受關注的背景下，全球核電裝機容量將繼續增長。IAEA 預計，2030 年全球核電裝機容量將達低值情景的 435 百萬千瓦和高值情景的 722百萬千瓦。同時預測，2035 年全球核電裝機容量將達到 578 百萬千瓦，核發電量將增加至 4.3 萬億千瓦時，核發電量在全球總發電量中的份額約占 12%。

 

表1中國大陸核電概況（截至2016年4月）

    中國大陸的核電發展概況

 

    中國大陸核電從 20 世紀 80 年代起步。截至 2016 年 4 月，在役、在建核電機組總數達到 55 臺，分布在浙江、廣東、江蘇、遼寧、山東、福建、廣西、海南等沿海 8 個省區，總裝機容量 5600多萬千瓦。

    其中在役機組 30 臺，裝機容量2800 多萬千瓦；在建 25 臺，裝機容量2700 多萬千瓦，核電機組的概況見表 1。目前，中國大陸在役核電機組已經超過韓國、 俄羅斯， 僅次于美國、 法國、 日本，列全球第四。

    2015 年， 中 國 大 陸 核 電 發 電 量1690 億千瓦時，占全國總發電量的3.01%， 比 2014 年 增 長 29.42%。 所有核電機組都保持了安全運行的良好記錄，未發生國際核事件分級（INES）表中 1 級及 1 級以上的運行事件，安全生產狀況、職業病危害防治等在所有工業行業中處于領先水平。國家環境保護部門對核電廠周圍環境連續監測的結果表明，核電廠放射性排出物的排放量遠低于國家標準限值，環境空氣吸收劑量率繼續保持在當地本底輻射水平漲落范圍之內，環境效益良好。

    未來中國核電仍有很大的發展空間

 

    從需求側來看，2015 年，中國全社會用電量 5.55 萬億千瓦時，人均用電量 4100 千瓦時，約是 2000 年的 4 倍，是全球增長最快的國家。但是，與發達國家相比，中國人均消費水平還比較低，不到美國的 40%，大約為 0ECD 國家平均水平的一半。未來中國城鎮化比例將進一步提高，社會經濟發展對電力生產與消費的需求也將進一步增長。

    從供給側來看，中國目前的能源結構很不合理，以煤炭為主的化石能源比例過高，非化石能源比例過低，已經成為中國能源結構中的突出問題。

    2015 年，中國非化石能源比例為12%，與政府制定的“2020 年非化石能源占一次消費能源的比例到15%左右” 、“2030 年非化石能源占比提高到 20%左右”的目標有較大差距。在一次能源消費中，煤炭的比重占 64.4%，超出世界平均水平的兩倍。盡快改變以煤為主的能源結構，建設綠色低碳、安全高效的現代能源體系，是中國面臨的一項緊迫而艱巨的任務。為此，必須大幅度提高可再生能源、核能和天然氣等低碳能源的占比。由于核能發電具有年運行時間長（7500h 以上）、能量密度高、運行成本低、可大幅減少溫室氣體和污染物排放等特點，是能源綠色低碳發展的重要選擇。

    根據國家能源發展規劃，2020 年全國核電裝機 5800 萬千瓦、在建 3000萬千瓦以上。2030 年全國核電裝機將超過 1.2 億千瓦，核能發電量約占全社會用電量的 10%。屆時，核能發電可替代煤炭近 3 億噸，少排放二氧化碳 8 億噸，成為低碳綠色能源的重要組成部分。

    中國核電發展堅持“安全、高效”的方針。新建核電機組要采用國際先進核電技術，主要發展“華龍一號”、CAP1000、 CAP1400等第三代核電機組，進一步提高核電的安全性、經濟性。為了切實保障核電的安全高效發展，政府要加強嚴格的、科學有效的安全監管。在全行業大力推進核安全文化建設，把安全理念落實到核電設計、建造、運行、退役的全過程，落實到核電產業鏈的所有環節，不斷提高安全水平。

    材料腐蝕與防護研究是核電安全高效發展的重要環節

 

    一座壓水堆核電站，有數百個系統、幾萬臺（套）設備。在核電站的高額投資中，設備費用占到將近一半。核電設備的質量與可靠性，決定了核電的安全性和經濟性。

    我國核電機組以壓水堆為主，在役和在建核電機組中，壓水堆核電站占到95% 以上。壓水堆核電站的設備分為核島設備、常規島設備與 BOP（核電站配套子項）設備三大類。按照設備服役工況或使用功能的不同，可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設備及部件，其所用材料稱為核電關鍵材料。

    核島設備，特別是核島主設備，是核電站的核心。核島主設備包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、控制棒驅動機構、 堆內構件、 主管道、 主泵等，構成了壓水堆冷卻劑回路即一回路，是防止反應堆放射性物質外泄的第一道屏障。核島主設備及部件與核安全緊密相關，可靠性要求最高。由于長期在高溫和強輻射條件下工作，對核電關鍵材料的要求也最嚴格。在材料選擇和制造過程中，不僅要考慮強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能等常規性能的要求，而且必須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等的變化，以及材料與環境介質的相容性等。

    反應堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內構件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體，由上、下封頭和筒體組成，具有密封放射性、阻止裂變產物逸散的功能。在核電站的整個壽期內，壓力容器是不可更換的。目前國內外廣泛采用 A508III（Gr.3CI.1） 和 16MND5等低合金鋼作為反應堆壓力容器材料。為了防止與冷卻劑接觸產生腐蝕，在低合金鋼的內壁堆焊不銹鋼。

    蒸汽發生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備，由簡體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。筒體管板采用與壓力容器相同或相近的低合金鋼材料，在一回路冷卻劑側堆焊有不銹鋼。傳熱管起一、二回路能量交換作用，對一回路壓力邊界完整性有重大影響，目前采用 690、800 等鎳基合金材料。傳熱管在特定結構和介質條件下，承受高溫、高壓和管子內外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕特別是應力腐蝕破壞，是核電站因腐蝕導致失效實例最多的部件。

    反應堆堆內構件包括壓緊板、導向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等，主要起支撐燃料組件、為控制棒及堆芯測量裝置等提供支撐和導向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內表面的中子注入量等作用。堆內構件面對活性區，受到冷卻劑沖刷和高溫高壓作用，通常選用強度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收和中子俘獲截面小的奧氏體不銹鋼及部分鎳基合金。

    反應堆一回路管道是維持和約束冷卻劑循環流動的通道，要求有優良的耐腐蝕性能、足夠的強度、塑性和熱強性能，材料的鈷含量盡量低。一回路管道材料通常選用精密鑄造的奧氏體不銹鋼或整體鍛造的奧氏體不銹鋼。

    盡管核島主設備的關鍵材料有優良的綜合性能，但由于在高溫、高輻照等特殊環境中工作，因腐蝕、特別是應力腐蝕導致的設備及部件失效實例并不少見。應力腐蝕導致的設備及部件失效給核電站帶來巨大的經濟損失，也給核電安全運行帶來潛在的威脅。有核電的世界各國都投入大量經費用于開展核島主設備材料的腐蝕與防護研究工作。研究的重點包括：蒸汽發生器傳熱管的腐蝕失效，異種金屬材料焊接件的腐蝕破裂，強輻射環境中不銹鋼材料的應力腐蝕破裂，以及反應堆一回路水化學控制等。

    核島主設備直接與反應堆冷卻劑接觸，腐蝕防護的主要手段是實行嚴格的一回路水化學控制。一回路水化學控制包括：加氫抑制一回路水的輻照分解，降低水中溶解氧的含量；精確調節和控制一回路水的 PH，防止和減少一回路內部材料的腐蝕；加鋅抑制活化腐蝕產物在一回路管道表面的沉積，降低回路周圍空間的輻射劑量水平等。

    除核島主設備外，核島安全殼系統也是核電站設備腐蝕防護研究和關注的重點。安全殼作為核電站防止放射性物質外泄的最后一道屏障，承擔重要的安全功能。目前，壓水堆核電站的安全殼有兩種結構，一種是單層安全殼，在混凝土結構的內壁襯有約６mm的低碳鋼。另一種是雙層安全殼，外層為混凝土屏蔽構筑物，內層為低碳鋼安全殼。混凝土和鋼材表面都有保護涂層。安全殼系統用的涂料稱為核級涂料，除常規要求外，還需要有優良的抗輻照、去污、抗熱老化、以及在核電站設計基準事故下保持涂層完整性等一系列特殊要求。在非能動核電站中，安全殼涂層還要求良好的傳熱和濕潤性能。

    常規島設備主要為碳鋼和低合金鋼，面臨的腐蝕問題與常規火力發電廠類同，主要差別在于核電站汽輪機的進氣為飽和蒸汽，需要更多考慮濕蒸汽侵蝕造成的影響。防護手段主要依靠二回路水化學控制，以減少與二回路介質接觸的設備和管道材料的腐蝕。同時要加強對二回路系統內各種材料腐蝕情況的監測，及時探知和發現材料損傷情況，防止事故的發生。

    由于核電的高度政治敏感性，一旦發生事故，即使與核安全無關，也會在社會上產生巨大反響。日本美濱核電廠曾經發生過一起常規島管道破裂事故，高溫高壓水從管道中噴出，導致多名工作人員死傷。事故原因是碳鋼管道內側發生流動加速腐蝕（FAC），管道壁變薄，又沒有及時發現，在高溫高壓下發生破裂。事故引發了全社會對核電安全的關注。

    核電站 BOP 設備的腐蝕問題與其他工業設施基本相同。目前，我國核電站全都建在東南沿海地區，構筑物和設備及部件中大量使用的碳鋼材料長期在海水中浸泡，有的直接與腐蝕性大氣環境接觸，腐蝕與防護問題比較突出。采取的防護手段主要有各種涂層保護、電化學保護（如陰極保護）以及其他一些措施（如充氮和表面涂膜）等。

    與發達國家相比，我國核電建設起步較晚。借助于后發優勢，我們充分借鑒了國外核電發展的經驗和教訓，有效地避免了國外曾經出現過的諸如蒸汽發生器傳熱管應力腐蝕破裂等一些典型事故。

 

    20 世紀 80 年代以來，國內相關科研院所及核電企業，結合本身的工作任務及專業特色，開展了一系列核電關鍵材料的腐蝕與防護研究，腐蝕防護技術及核級涂料研制生產都取得了重大進展，為保障我國核電安全高效發展做出了重要貢獻。

    2005 年以來，在國家 973 計劃大力支持下， 由中國科學院金屬研究所牽頭，聯合國內十幾家科研院所、高等學校、核電裝備制造企業和核電設計運行單位，系統深入地開展了核電關鍵設備材料失效行為研究，在材料失效機理研究、輻照對材料失效影響研究、腐蝕與失效行為監測和防護等許多方面取得了新的突破，培養了一批高素質的人才，形成了一批有實用價值的優秀成果，有力推進了我國核電材料的腐蝕與防護研究工作。

 

    結語

 

    當前，我國核電已經進入規模化批量化發展的新階段，成為世界上發展最快、新建機組最多的國家。設計自主化、材料國產化的第三代核電技術對機組提出了更高參數和更長設計壽命（60 年）的要求，對核電材料在服役環境中的腐蝕防護研究提出了新的挑戰。與此同時，隨著我國在役核電機組服役時間的推移，機組老化及設備可靠性問題將進一步凸顯，老機組擴容延壽問題也將提上議事日程。

    加強對核電設備材料腐蝕與防護問題的研究，對于保障我國核電運行安全、進一步提高核電的可利用率和經濟性、以及推進中國核電“走出去”，都具有十分重要的意義。

    （資料來源：知網）

 

6輸電桿塔鋼構件腐蝕防護技術研究進展

 

    長期服役于自然環境中的輸電桿塔鋼構件的防腐蝕性能，是保證輸電線路安全可靠運行的關鍵要素之一。在沿海和因重工業生產排放所帶來的環境污染并伴隨自然環境氣候的惡化而形成的重腐蝕環境中，使在役桿塔鋼構件等重要設備腐蝕速率日漸加快，傳統使用的熱鍍鋅、刷涂富鋅涂料等腐蝕防護技術性能已不能滿足使用要求，有效免維護周期明顯縮短，生產中用于防腐維護的成本大大增加。因此，開發新型耐腐蝕防護材料和維護技術，實現鋼構件長壽命、少維護或免維護的防腐效果， 是保證輸電線路安全運行、 建設 “堅強智能電網”的需要。

    輸電桿塔的腐蝕現狀

 

    國內輸電鐵塔表面大多采用熱鍍鋅防護。鍍鋅層對于桿塔基體材料與腐蝕環境具有隔離作用和陰極保護作用：一方面鋅在大氣中的腐蝕速度大約是鋼鐵的 1/15，能夠有效保證外部腐蝕介質不與鋼材基體直接接觸；另一方面以鋅犧牲陽極的形式防止構件基體材料腐蝕來保證桿塔的結構強度。

 

    日本熱鍍鋅協會在 1964—1974 年進行的熱鍍鋅大氣暴露試驗結果如表 1所列。

    近年來的使用情況反映，鍍鋅層防腐蝕實際壽命遠遠小于表 1 中的數值，主要原因是與環境污染和全球氣候惡化有關。在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護性能，但在沿海等潮濕環境中，鋅表面會生成一層氫氧化鋅，在二氧化碳作用下生成堿式碳酸鋅。該腐蝕產物疏松、體積較大，防護作用顯著降低。

    鋅在工業污染嚴重地區，對二氧化硫、二氧化氮等的耐腐蝕性能較差，隨環境中二氧化硫或二氧化氮的含量增加，耐腐蝕性能下降。

    湖南為大陸型中亞熱帶季風濕潤氣候，光、熱、雨水資源豐富且比較同步，存在株洲、湘潭等重工業污染區。2008年南方冰災中，湖南地區由于線路覆冰而大面積倒塔的出現，其主要原因就包含由于環境腐蝕導致的桿塔構件強度缺失。調查表明在沿海地區和重工業污染地區的輸電鐵塔投入運行 3 ～ 4 年便銹跡斑斑，再過經過 1 ～ 2 年便轉化為整體銹蝕。

    福建地區處于亞熱帶，光照、雨水充足，既有重工業污染區，也有沿海氣候和國家酸雨控制區。

    三明局 220kV 后富線為后山變至富興變聯絡線，發現 1 號至 3 號、5 號至 10 號鐵塔主材、聯板受銹蝕層度較重，主要原因系后山出線段地處三明鋼鐵廠、化工廠及化學試劑廠（生產硫酸、鹽酸）周邊，受污染物，特別是酸霧的影響所致。處于海洋氣候的廈門局將鴻線 7 號、8 號鐵塔腐蝕嚴重。漳州220kV 總南線與三明局 220kV 增列線由于地處山區環境植物茂盛，環境十分潮濕，塔腳部位腐蝕嚴重。

    山東屬暖溫帶季風濕潤半濕潤氣候類型，降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。光照充足，常年降水比較豐富。在淄博地區調研時發現，500kV淄濰線近 4 ～ 5 年出現多基塔塔腳腐蝕，使上底座和護板減薄至設計厚度的1/2， 已經對桿塔的安全運行產生影響。經分析，土壤中 SO 4 2- 和 Cl - 離子的含量偏高，塔腳腐蝕是表面硫腐蝕和因混凝土基礎虹吸潮濕而發生的界面濃差腐蝕共同作用的結果。

    對 500kV 川淄線調研中發現，部分鐵塔多處主材、聯板的鍍鋅層出現紅褐色銹斑，銹蝕較重。

    桿塔所處位置為農田，而附近日用陶瓷、建筑陶瓷生產廠家較多，燒結等工業廢氣排放較多，污染嚴重。

    在海洋氣候中，由于較大的空氣濕度和鹽含量，熱鍍鋅層的腐蝕加劇，使用壽命縮短。煙臺地區龍湯一、二線，龍東線、龍沈線等近海岸電廠出線線路，常年受潮濕海風侵蝕，桿塔和導線腐蝕嚴重。在四面環海的廣東南澳縣，一條10kV的配電線路， 在1993—1997年間，由于嚴重的鹽霧腐蝕架空導線斷線 15起。鍍鋅的桿塔鐵構件半年左右就開始生銹，一年就銹跡斑斑。

    從調研的情況可以發現，目前的熱鍍鋅桿塔防腐和日常的富鋅涂料的維護難以滿足設計使用壽命的要求，需要發展新型防護技術防止桿塔的腐蝕，保證輸電線路的安全。

 

 

    國內外桿塔防腐技術

 

    1、熱鍍鋅技術的發展

 

    自 1983 年 起 , 奧 地 利 電 網 在380kV 線路上開始試驗“鍍鋅封閉”（DUPLEX-coating，鐵塔在工廠鍍鋅后立即進行涂料封閉涂裝）防護技術。結果顯示自投運到首次維護時間可長達 40 ～ 50 年之久 , 大大提高了鍍鋅鐵塔的抗蝕性，大幅度降低了運行維護成本，后被廣泛應用于新建線路。經統計 ,使用“鍍鋅封閉”增加的費用占整條線路費用的 2.5%，但是從全壽命周期分析，顯著降低了成本。荷蘭熱浸鋅研究所發表了類似的等加效應結果，即：無論熱浸鋅、電弧噴鋅，鋅層加重防腐涂料復合涂層壽命為兩者使用壽命之和的1.8 ～ 2.4 倍。

    為了提高熱鍍鋅涂層耐蝕性能 ,熱浸鍍鋅鋁涂層成為近幾十年的研究熱點。鋁由于擁有良好的鈍化性能，其耐蝕性能更優于鋅。但鈍化后的鋁對鋼鐵基體缺乏陰極保護作用，而鋅鋁涂層同時具備了鋅涂層和鋁涂層兩者的優點。比較著名的商業涂層有 Galfan（Zn+5%Al）、Galvalume（Zn+55%Al+1.6%Si） 和 SUPERZINC（Zn+5%Al+0.1%Mg）。試驗表明鋅鋁涂層耐蝕性能遠好于純鋅浸鍍層，在海洋氣候及重工業污染區的防腐性能也很優異。

    Galfan 在工業污染和海洋環境中耐腐蝕性能為熱浸鍍鋅的 2 ～ 3 倍，Galvalume為熱浸鍍鋅耐蝕性能的3～6倍。 1998年，新日鋼鐵株式會社研制的 Zn-Al-Mg 合金涂層 ZAM，不僅具備 Zn-Al 涂層良好的耐蝕性能，而且由于鎂的加入改善了陰極保護功能。研究顯示，在熱浸鍍液中加入微量的稀土元素，可以改善鍍液與鋼材的潤濕性能，增加流動性，得到均勻的涂層，并明顯提高鍍層耐蝕性能。在熱鍍鋅過程中加入合金元素幾乎不提高生產成本，但是涂層使用壽命得到了顯著地提高，是一種比較理想的熱鍍鋅替代技術。但是，這些熱浸鍍鋅鋁技術在國內桿塔上還沒有推廣使用。

    2、涂料

 

    由于涂料成本低、施工工藝簡單，因此成為銹蝕鐵塔防護的主要手段。普通涂料體系耐腐蝕性能差，防護時間只有 2 ～ 3 年，如醇酸紅丹涂料等。隨著輸電鐵塔防腐技術的發展，重防腐體系涂料逐漸應用于輸電鐵塔防護。重防腐涂料體系是指在惡劣腐蝕環境下具有長效防護作用的一類高性能涂料，常用的涂料包括聚氨酯涂料、環氧樹脂涂料、橡膠涂料、富鋅涂料等，通常是由底漆、中間漆、面漆組成，漆膜厚度在 200um以上，三者構成的涂層發揮總體效果，防護時間可達 15 年以上。

    近 10 年來冷涂鋅涂料有了較大的發展，它是由溶劑、樹脂、助劑及由純度高于 99.995% 的鋅粉組成的新型防腐涂料，可在常溫下實現冷涂鋅，涂層鋅含量在 96% 以上。國內外著名的冷涂鋅品牌有比利時的 Zinga、加拿大的 C.R.C.、美國 LUST-OLEUM 的 2100 系列、日本的ROVAL、深圳彩虹公司的 7CF 強力鋅等。冷涂鋅具備鍍鋅及普通涂料的雙重優點，提供陰極保護及屏障保護，防腐性能優異， 可常溫刷涂， 便于施工， 得到 “鍍鋅”效果，對鍍鋅可以進行修復。與其它防護涂層比較，其成本高是主要缺點。

    冷涂鋅涂裝前對鋼結構表面處理及室外環境要求較熱噴涂處理低，可以在相對濕度 85% 以上的環境中施工，比利時Zinga 甚至提出可以在潮濕表面涂裝。日本 ROVAL 冷涂鋅產品涂裝在清潔度為 St2級的鋼材表面后， 附著力達到了8.1MPa。

    華東電網制訂的《華東電網 500kV輸電線路鐵塔冷涂鋅防銹工程技術和工藝規范》中規定冷涂鋅使用年限為 8 年。

    冷涂鋅的防腐功效大抵與熱鍍鋅相當。桿塔在大規模使用時，熱鍍鋅成本低于冷涂鋅，但是在小件的涂裝上，冷涂鋅成本要低于熱鍍鋅，且施工方便。作為桿塔的防腐技術，冷涂鋅在重腐蝕環境中也難以滿足使用壽命的需求，但作為熱鍍鋅鐵塔修復和維護是很好的方法。

    3、熱噴涂技術

 

    熱噴涂技術已被公認是鋼鐵長效防腐中最具競爭力的方法之一。早在 1952年，上海噴涂機械廠以安徽省作鋼鐵長效防腐示范。他們首次在國內采用熱噴涂鋅涂層的防腐方法，對淮南電廠至蚌埠 45km 區域內的 264 座高壓輸電鐵塔的上半部進行保護，在 1978 年對鐵塔腐蝕狀況進行檢查，噴涂層狀態良好，無任何腐蝕跡象。

    國內外眾多研究表明，熱噴涂鋅鋁涂層的防腐效果要優于純鋅或者純鋁涂層。針對熱噴涂 Zn-Al 涂層的研究與開發，目前國內主要有偽合金涂層和合金涂層，其中合金涂層又分為粉芯絲材制備涂層以及合金絲材制備的涂層。在涂層成分上主要是通過改變 Al 的含量以及加入少量的 Mg、Cu、稀土等金屬元素來提高涂層的耐腐蝕性能。

    自1985年，日本JACC（Japan AssociationofCorrosion Control）熱噴涂委員會的S.Kuroda等對Zn、Al及Zn-13Al熱噴涂涂層作了長期暴露試驗。結果表明，暴露10年和18年的熱噴涂Zn-13Al涂層的耐蝕性明顯優于熱噴涂Zn、Al涂層。

    國內學者采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術制備了 Zn-26%Al 涂層。通過電化學的方法測試涂層在 NaCl5% 溶液中的腐蝕行為，并與由實芯絲材純 Zn、純 Al 及 Zn-15%Al 所制備的涂層作比較，探討 Al 含量的變化對涂層防腐蝕性能的影響。研究發現 Zn-26%Al 涂層在電解質溶液中表現出更優越的防腐性能。動電位極化測試結果說明 Zn-Al 涂層隨著Al含量的增加， 其耐蝕性也提高。

    近幾年的研究表明，向 Zn-Al 合金中加入其它的適量元素（Mg 和 RE 等）能顯著改善涂層的耐蝕性能。在多種合金元素的涂層制備中 , 粉芯絲材較易制備。劉燕等人利用粉芯絲材制備出 Zn-Al-Mg-RE 涂層，試驗結果顯示涂層具備良好的耐蝕性能。腐蝕產物堆積成致密的鈍化膜 , 封閉了涂層上微孔。

    所謂自封閉，是指 ZnAlMgRe 高速電弧噴涂層在腐蝕過程中，隨著腐蝕反應的進行，生成了一系列 Zn 的堿式鹽類，Mg 的氫氧化物及 Mg 與 Al 形成的尖品石氧化物的水合物等腐蝕產物，這些腐蝕產物不但能夠在涂層表面形成鈍化膜，還能夠有效地堵塞涂層中的孔隙，切斷腐蝕介質的快速通道，從而提高了涂層的耐蝕性。實驗室腐蝕實驗數據表明：在海洋環境中，ZnAlMgRe 高速電弧噴涂層的抗腐蝕能力是 Zn、Al 電弧噴涂層的 4 倍以上，這主要和 ZnAlMgRe涂層具有自封閉特性有直接關系。

    山東電力科學研究院研制的系列ZnAlMgRE 合金實芯電弧噴涂絲材，在鋼基體上制備出 ZnAlMgRE 涂層。通過銅乙酸加速鹽霧試驗、電化試驗、浸泡試驗均表明其耐蝕性能遠好于熱浸鍍鋅和熱噴涂鋅涂層，防腐壽命為熱浸鍍鋅的1 ～ 8 倍。全壽命周期性價比分析是熱鍍鋅的2.4倍以上。 現已開始工程示范應用。

    4、耐候鋼及鋁合金桿塔

 

    耐候鋼，又稱為耐大氣腐蝕低合金鋼，是在鋼中加入少量的合金元素（銅、磷、鎳、鉻等），使其在大氣中比普通碳鋼耐蝕性優良的一種低合金鋼。

    合金元素可以在鋼表面形成致密和附著性能很好的保護膜，阻礙銹蝕向內部發展，它是介于不銹鋼和碳鋼間的價廉物美的低合金鋼。20 世紀 60 年代，在美國耐候鋼用來替代鍍鋅鋼被應用于輸電桿塔，利用了其較高的強度以減小尺寸和結構重量。在 1961 年，沒有涂裝的耐候鋼應用在馬薩諸塞州的兩個輸電桿塔上，隨后大規模的運用于賓夕法尼亞州的輸電桿塔上。但在潮濕的環境中運行幾年后其腐蝕速率與裸碳鋼基本相同。

    1975 年，考慮到污染物腐蝕帶來的鐵塔強度的降低，日本開始在輸電線路試驗運用耐候鋼無涂裝角鋼鐵塔，并在2000 年試驗應用涂裝耐候鋼鋼管塔。結果顯示，在工業大氣、海洋大氣和酸雨環境中耐候鋼的耐蝕性能都要優于普通碳鋼，但在耐候鋼在接頭和基礎處的腐蝕較為明顯。

    鋁在大氣中可以快速生成一層致密的 Al 2 O 3 膜，且在很寬的 pH 范圍內都可以保持穩定。因此，鋁在大氣中的耐蝕性能良好，一些國家采用鋁作為輸電桿塔材料。

    英國的試驗結果顯示，在污染大氣中的鋁桿塔腐蝕速率為 2.6um/a，在沿海地區為 7.3um/a。

    設計壽命為 85 年的桿塔，若使用普通碳鋼作為基材，在無污染的環境中每隔 15 年就必須涂刷一次，在污染和海洋環境中間隔分別為 12 年和 9 年。

    而以鋁作為基材的桿塔在 85 年壽命內都不需要維護。鋁和碳鋼桿塔在全壽命周期內評估對環境造成影響相近，但鋁材可以更多地回收利用。

 

    5、復合材料桿塔

 

    隨著復合材料技術和制造工藝的發展，纖維增強復合材料 FRP 作為一種質輕高強、耐腐蝕、絕緣性好的材料，制備復合材料桿塔已成為可能。

    日本早在 20 世紀 60 年代就開始了就開展了玻璃纖維增強塑料（即玻璃鋼，FRP）用于輸電線路橫擔的研究，并很好的解決了風偏所引起的閃絡事故。

    在美國和加拿大復合材料的桿塔發展已經很成熟，已經有多家公司投入了實際生產和應用。

    據 Ebert 公司 2006 年的一份報告，截止 2006 年 2 月，Ebert 公司的全復合材料桿塔在腐蝕嚴重的海岸地區運行良好，在 10 年內不生銹、無腐蝕、未損壞。我國復合材料的桿塔的研究與應用還處于起步階段。2007 年，國網武漢高壓研究院研制成功了 10kV 線路防雷擊及污閃的絕緣塔頭和橫擔。國家電網公司2009年開始從絕緣特性、 抗冰敷特性、抗腐蝕性能三個方面研究復合材料在輸電桿塔上的應用研究。部分試點工程已上線運行，運行狀況良好。

    結語

 

    面對重工業大氣污染和海洋重腐蝕氣候，熱鍍鋅防護技術已不能滿足使用壽命的要求，迫切需要發展新的防腐技術。與熱浸鍍純鋅涂層相比，熱浸鍍鋅鋁合金涂層和熱噴涂鋅鋁合金涂層都有著更好的耐蝕性能，且降低全壽命周期成本。

    但是熱浸鍍技術對環境污染嚴重，且其耐蝕性能也劣于熱噴涂涂層。因此，熱噴涂鋅鋁合金涂層是在重工業污染和海洋氣候地區取代熱浸鍍鋅最簡單，也是最有效的手段之一。

 

（資料來源：知網）